Caracterización elemental de monedas nacionales de circulación

IPEN
Informe Científico Tecnológico. Volumen 13 (2013). p. 13-18. ISSN 1684-1662
Caracterización elemental de monedas nacionales de circulación actual
mediante técnicas no destructivas de Fluorescencia de Rayos X.
Informe preliminar
Paula Olivera1,*, Esly Calcina2
1
Lab. Rayos X, División de Materiales, Dirección de Investigación y Desarrollo, Instituto Peruano
de Energía Nuclear, Av. José Saco km 12.5, Carabayllo, Lima 6, Perú
2
E.A.P. Física, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería, Av. Túpac Amaru210
Rímac, Lima – Perú, Casilla 31-139
Resumen
Ante la frecuente falsificación de billetes y monedas se propone, en el presente trabajo,
identificar la composición química elemental, por ahora, de las monedas de circulación
oficial actual en nuestro país, mediante la técnica de análisis no destructivos por
Fluorescencia de Rayos X dispersivo en energía, el objetivo es compararlas con monedas
falsas y establecer las diferencias que podrían ayudar a identificarlas inmediatamente
aprovechando la rapidez en la respuesta de esta técnica. Se ha identificado Al en las monedas
de 5 céntimos, Cu y Zn en las de 10 y 20 céntimos, Ni, Cu y Zn en las de 50 céntimos y Un
Nuevo Sol y Cr, Cu y Zn en las monedas de 2 y 5 Nuevos soles. Se han analizado 57
monedas peruanas de distintos años de fabricación, entre ellas una moneda falsa de 5 Nuevos
Soles encontrándose Cu y Zn en la parte central y Fe en el anillo circular del borde,
observando la ausencia del Ni y del Cr, respectivamente, que si se encontró en las monedas
oficiales.
Palabras Claves: Monedas peruanas, Caracterización elemental, Fluorescencia de Rayos X,
Ensayos no destructivos
Elemental chemical characterization of coins of currently national circulating
by X-ray Fluorescence non-destructive techniques
Abstract
Given the frequent counterfeit bills and coins is proposed in this paper to identify the
elemental chemical composition; for now, the current official currencies circulating in our
country, by Energy Dispersive X-ray Fluorescence technique and non-destructive methods,
the goal is to compare with the false and establish the differences that could help identify
them immediately taking advantage of the fast response of this technique. Have been
identified the elements Al in the coins of 5 cents, Cu and Zn for 10 and 20 cents, Ni, Cu and
Zn for 50 cents and a Un Nuevo Sol and Cr, Cu and Zn 2 coins 5 Nuevos Soles. 57 Peruvian
coins of different production years and a counterfeit coin of 5 Nuevo Soles have been
analyzed, finding Cu and Zn in central part and Fe in circulating edge ring, looking for this
one the absence of Ni and Cr, which in the official currency was found.
Keywords: Peruvian currency, Elemental characterization, X-Ray Fluorescence, Nondestructive methods.
1.
falsas y establecer las diferencias que podrían
ayudar a identificarlas inmediatamente,
aprovechando la rapidez en la respuesta de
esta técnica.*
Introducción
Actualmente se observa con mucha
frecuencia, en el ámbito financiero, la
falsificación de billetes y monedas de
circulación diaria; por eso, el objetivo de este
trabajo es identificar su composición química
elemental, mediante la técnica de análisis por
Fluorescencia de Rayos X dispersivo en
energía, para compararlas con las monedas
La Fluorescencia de Rayos X (FRX) es un
excelente método analítico para determinar la
composición química de diversos materiales,
*
Correspondencia autor: [email protected]
13
Olivera P, et al.
Informe Científico Tecnológico. Volumen 13 (2013). p. 13-18. ISSN 1684-1662
Reserva del Perú [4], las monedas nacionales
de uso corriente tienen las características
físicas y químicas que se muestran en las
Tablas 1 y 2.
en especial de los metales, debido a su
densidad y homogeneidad que garantizan un
buen análisis [1,2,3].
De acuerdo con la información que se
encuentra en el Portal del Banco Central de
Tabla 1. Características químicas de las monedas analizadas.
El aluminio es un elemento
químico, de símbolo Al y
número atómico 13. Se trata
de un metal no ferroso. Es el
tercer elemento más común
encontrado en la corteza
terrestre. Como metal se
extrae del mineral conocido
con el nombre de bauxita, por transformación
primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a
continuación en aluminio mediante electrólisis¸
tiene una densidad 2.700 kg/m3 y una alta
resistencia a lacorrosión.
En los dos casos, la aleación
del núcleo de la moneda es
de cobre, aluminio y níquel.
La aleación del anillo que
rodea la moneda es de acero
inoxidable (hierro, cromo y
níquel) [5].
La alpaca, plata alemana o
metal blanco es una aleación
ternaria compuesta por Zn,
Cu y Ni, con un color y
brillo parecido al de laplata.
Las
aleaciones
que
contienen más de un 60 %
de cobre son monofásicas y
se caracterizan por su
ductilidad y por la facilidad
para ser trabajadas a
temperatura ambiente, la
adición de níquel confiere
una buena resistencia a los
medios corrosivos.
El latón, es una aleación de
Cu y Zn que se realiza en
crisoles o en un horno de
reverbero a una temperatura
de fundición de 980 ºC. Se
suele agregar Pb a la
aleación en proporciones
entre 2 y 4 % para mejorar
el corte de viruta y hacer el
material más mecanizable;
su densidad ronda entre 8,4
y 8,7g/cm3.
Tabla 2. Características físicas de las monedas estudiadas.
5 céntimos
10 céntimos
20 céntimos
50 céntimos
1 Nuevo Sol
Aluminio
Latón
Latón
Alpaca
Alpaca
Diámetro
(mm)
18.00
20.50
23.00
22.00
25.50
2 Nuevos soles
Bimetálica
22.38
2.06
5.62
5 Nuevos Soles
Bimetálica
24.38
2.00
6.67
Moneda
Aleación
Fuente: Banco Central de Reserva del Perú.
14
Espesor
(mm)
1.68
1.44
1.40
1.88
1.92
Peso
(g)
1.02
3.5
4.40
5.45
7.32
Canto
Liso
Liso
Liso
Estriado
Estriado
Estriado
discontinuo
Estriado
continuo
IPEN
2.
Informe Científico Tecnológico. Volumen 13 (2013). p. 13-18. ISSN 1684-1662
un detector semiconductor de Si(Li) de 167
eV de resolución para 5.89 KeV de energía y
su electrónica asociada; para la toma de datos
se utilizó el Analizador Multicanal PCAII
The Nucleus y el Quantitative X-Ray
Analysis Software (QXAS) para la
evaluación de espectros, la determinación
cualitativa y los cálculos cuantitativos.
Procedimiento Experimental
2.1. Selección y preparación de muestras
Se dispusieron de 12 monedas de 10
céntimos, 7 monedas de 20 céntimos, 7
monedas de 50 céntimos, 15 monedas de 1
sol, 9 monedas de 2 soles y 7 monedas de 5
soles, cada una de diferentes años de emisión.
Se procedió a limpiarlas con acetona para
retirarles la grasa y suciedad superficial antes
de la irradiación con una fuente anular de
Cadmio-109 en ambiente atmosférico.
Para analizar la moneda de 5 céntimos se
utilizó, además del sistema anterior, otro
equipo constituido por un tubo de Rayos X
con blancos secundarios como fuentes de
excitación [7] y medido en vacío,
encontrándose Al, tal como se aprecia en el
espectro mostrado en la Figura1.
El equipo utilizado para la medición de los
rayos X fluorescentes, es un sistema modular
de espectroscopia de Rayos X constituido por
Figura 1. Espectro FRX de una moneda de 5 céntimos analizado en un sistema
con blancos secundarios y en vacío.
2.2. Evaluación
estadística
de
iterativos [8], usando el programa QXAS.
las
mediciones
3.
Dado que la desintegración radiactiva es
totalmente aleatoria [3] y existe una
influencia directa en la determinación
elemental cuantitativa es necesario conocer
tal influencia, para lo cual se hizo 25
mediciones de una moneda de Un sol emitido
el presente año, para estudiar el
comportamiento aleatorio de las mediciones
radiactivas en base al área de los picos
obtenidos en el espectro de dicha moneda.
Todas las mediciones fueron hechas en las
mismas condiciones de geometría y tiempo
de exposición. Las áreas de los componentes
Ni, Cu y Zn fueron calculadas por métodos
Resultados y Discusión
En la Tabla 3 se observa que la desviación
estándar (error estadístico) es mayor que la
desviación calculada por el QXAS, para cada
una de las áreas. Por ejemplo para el níquel:
162>130. El coeficiente de variación en todos
los casos es menor del 1 %, lo que nos
permite considerar que las mediciones son
estables [3].
En la Tabla 4 se presenta las concentraciones
determinadas para cada una de las monedas
de circulación actual, allí se puede observar
que la moneda de 5 céntimos es de Aluminio,
pero tiene en su composición Cr, Fe en
15
Olivera P, et al.
Informe Científico Tecnológico. Volumen 13 (2013). p. 13-18. ISSN 1684-1662
concentraciones bajas y Cu y Zn a niveles de
trazas, tal como se puede observar en la
Figura 1.
1 sol, de una aleación denominada Alpaca
(cobre, zinc y níquel). Las monedas de 2 y 5
soles están compuestas en la parte central de
cobre y níquel, mientras que en la parte del
contorno están compuestas por cromo y
hierro.
Las monedas de 10 y 20 céntimos,
efectivamente están compuestas por latón
(cobre y zinc). Las monedas de 50 céntimos y
Tabla 3. Evaluación estadística de conteo para la toma de datos.
Áreas bajo el pico + Desviación
Nº medición
Ni
Cu
Zn
1
14672 ± 129 87563 ± 298 25916 ± 164
2
15043 ±129 86984 ± 297 25630 ± 164
3
15287 ± 131 87969 ± 298 25551 ± 163
4
15022 ± 129 87703 ± 298 25460 ± 163
5
15077 ± 130 87279 ± 297 25788 ± 163
6
15181 ± 130 87449 ± 297 25721 ± 163
7
15038 ± 130 87764 ± 298 25668 ± 163
8
14970 ± 129 87440 ± 297 25327 ± 162
9
15284 ± 131 87582 ± 298 25578 ± 163
10
14979 ± 129 87358 ± 297 25545 ± 163
11
15021 ± 130 86922 ± 297 25737 ± 163
12
15156 ± 130 87539 ± 298 25250 ± 162
13
15088 ± 130 87188 ± 298 25595 ± 164
14
15054 ± 130 87287 ± 297 25508 ± 163
15
14968 ± 129 86983 ± 297 25718 ± 164
16
14765 ± 129 87679 ± 298 25926 ± 164
17
15157 ± 130 87983 ± 298 25610 ± 163
18
15032 ± 130 87574 ± 298 25360 ± 163
19
14917 ± 129 87275 ± 297 25473 ± 162
20
15162 ± 130 87702 ± 297 25709 ± 163
21
15156 ± 130 88218 ± 298 25510 ± 162
22
14960 ± 128 87422 ± 297 25688 ± 163
23
15455 ± 131 89508 ± 300 26052 ± 164
24
15145 ± 130 87499 ± 297 25889 ± 164
25
14947 ± 128 87584 ± 297 25454 ± 163
Promedio
15061±130
87578±298
25627±163
Desv. std.
162
508
196
CV(%)
1.1
0.6
0.8
moneda (Figura 3). En estas figuras se
observa que la moneda falsa tiene zinc en
lugar de níquel en la parte central y no tiene
cromo en la parte del borde. Esto es
entendible pues el costo del zinc es 8 veces
menor que el del níquel [6].
De acuerdo con los objetivos de este trabajo
se analizó una moneda falsa de 5 Nuevos
Soles, de cuyos espectros se observa a simple
vista las diferencias tanto de la parte central
(Figura 2) como del material del borde de la
16
IPEN
Informe Científico Tecnológico. Volumen 13 (2013). p. 13-18. ISSN 1684-1662
Tabla 4. Concentraciones, expresadas en %, de cada uno de los componentes de las diferentes monedas
analizadas, excepto (*) para el Cu y Zn de la moneda de 5 céntimos que se expresan en mg/kg.
Moneda
5 céntimos
Al
Cr
Fe
99.5 ± 0.2
0.3 ± 0.0
0.2 ±
Ni
0
Cu
Zn
174* ±
27 123* ±
Mo
15
10 céntimos
0.5 ± 0.1
86.8 ± 1.3
12.7 ± 1.3
20 céntimos
0.5 ± 0.2
87.2 ± 0.8
12.3 ± 0.7
50 céntimos
0.6 ± 0.3 14.1 ± 0.6
64.3 ± 1.1
20.9 ± 1.3
Un Nuevo Sol
0.5 ± 0.2 14.5 ± 1.0
64.6 ± 1.1
20.3 ± 1.5
2.7 ± 0.4
97.3 ± 0.4
2 NS centro
2 NS borde
25.5 ± 1.1 74.5 ± 1.1
5 NS centro
0.9
5 NS borde
± 0.1
0.1 ± 0.01
2.7 ± 0.2
97.3 ± 0.2
25.9 ± 1.1 74.1 ± 1.2
1200
Cu‐K
2500
0.1 ± 0.01
Fe‐K
1000
Cu‐K
2000
1500
Moneda
Verdadera
1000
0
4
6
8
Energia (KeV)
Moneda
verdadera
Moneda
Falsa
Moneda
Falsa
Fe‐K
Fe‐K
Zn‐K
10
Cr‐K
200
Cu‐K
Ni‐K
Fe‐K
600
400
Zn‐K
500
Cuentas
Cuentas
800
0
4
12
Figura 2. Espectro de la parte central de dos monedas
de 5 Nuevos Soles uno verdadero y el otro falso.
En el anillo del contorno de la moneda falsa
se observa la presencia de óxido (Figura 4),
debido a la ausencia del cromo, ya que
cuando en una aleación el cromo está
presente no se oxida, de ahí que se denomina
acero inoxidable. En el caso de la moneda
falsa se tiene un acero simple que es una
aleación de hierro con carbono en un 0.042.25 %, el carbono no se detecta mediante la
técnica de Fluorescencia de Rayos X, por
tratarse de un elemento liviano [3], cuyo
ZC<11y no es sensible a la técnica.
6
8
Energia (KeV)
10
Figura 3. Espectro delborde de dos monedas de 5
Nuevos Soles uno verdadero y el otro falso.
Figura 4. Es visible la oxidación que presenta la
superficie de la moneda falsa de 5 Nuevos Soles.
4.
Conclusiones
La moneda falsa se identifica por que en
lugar de níquel tiene zinc (Figura 2) y no
tiene cromo en su contorno (Figura 3), lo que
se comprueba visualmente en pocos segundos
de irradiación-medición de la moneda dudosa
17
12
Olivera P, et al.
Informe Científico Tecnológico. Volumen 13 (2013). p. 13-18. ISSN 1684-1662
en un sistema de espectroscopía
Fluorescencia de Rayos X.
5.
http://www.bcrp.gob.pe/billetes-ymonedas.html
[5] Muñiz B. Metales empleados en las
monedas. Diciembre 2009; [serie en Internet].
Disponible en: http://www.bencoins.com
[6] Portal Minero. Bolsa de metales. [serie
en
Internet].
Disponible
en:
http://www.portalminero.com/display/bols/B
olsa+de+Metales
[7] PANalytical. Principles of X Ray
Fluorescence. 2002; [serie en Internet].
Disponible en:
http://www.panalytical.com/Profile/Aboutus.htm
[8] International Atomic Energy Agency.
Quantitative X Ray Analysis System User's
Manual and Guide to X Ray Fluorescence
Technique. Version 2.0 (2005).
de
Bibliografía
[1] Constantinescu B, Bugoi R, OberlanderTarnoveanu E, Parvan K. Medieval silver
coins analyses by Pixe and ED-XRF
Techniques. Romanian Journal of Physics.
2009; 54(5–6):481–490.
[2] Nguyen The Quynh, Truong Thi An,
Tran Duc Thiep, Nguyen Dinh Chien, Dao
Tran Cao, Nguyen Quang Lielm. Elemental
analysis of the ancient bronze coins by X-ray
fluorescence technique using simultaneously
radioisotope source and X-ray tube.
Communications in Physics. 2004; 14(1):5056.
[3] Van Grieken R, Markowicz A.
Handbook of X-Ray Spectrometry. 2nd ed.;
2002.
[4] Banco Central de Reserva del Perú.
Billetes y monedas. Disponible en:
18